《學蜘蛛人趴趴走：受大自然啟發的仿生科技》

【導讀】

實現永續發展的美夢--仿生科技的未來發展

吳茂昆

奈米結構是一個令科學家們充滿了幻想的神奇領域。這些奈米結構比物質的原子及小分子要大，但比我們今天建構各種電子產品的微米結構要小，量子效應在這個尺寸變得非常重要。而有意思的是，自然界各類生物也是以此一奈米尺度在運作。

上個世紀，人類發展出各種尖端科技，尤其是顯微技術的成功發展，使我們今天有能力可偵測及控制個別原子或原子簇，進而建造及了解奈米結構；此外，分子自組裝的技術突破，也讓化學家們開始設計超大分子及其他各種奈米結構和材料；再加上基因序列的破解，科學家對基因及蛋白質等有機奈米結構的個別性質及相互作用也有深入了解。有了這些整體發展，我們得以踏上解開大自然奧秘的第一步，不但能滿足我們的好奇心，更進一步可以學習大自然，建構起模仿自然界運轉法則的新科技。

這樣的仿生科技，將能提供新的機制與突破，為新世代產品開創新契機，不但可提升能源的使用效率，並可加速低污染、高效能能源的開發，以減少資源的消耗及環境汙染。因此，仿生科技的發展可以帶來新的能源開發與應用概念，有效應用地球有限的資源與能源。

值此國內各界正如火如荼開展奈米科技研發的時刻，使大眾能對奈米科技有正確認知，是很重要的工作。很高興遠流能在此時發行《學蜘蛛人趴趴走》，對一般讀者認識仿生科技將有極大的助益。此書的特點是文章流暢，深入淺出闡明科學新概念，具非常高的可讀性。

毫無疑問的，仿生科技將是二十一世紀科技與產業發展最大的驅動力。仿生科技正在創造新一波的技術革命與產業，對於人類生活的影響將是全面的。預測未來仿生科技所產生的新材料、新特性及其衍生之新裝置的影響，將遍及儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械工具、醫學醫藥、基因工程、環境與資源、化學工業等產業。相信透過仿生科技的全面發展，我們將能實現永續發展的美夢。

（本文作者為中研院院士、中研院物理所所長、奈米國家型科技計畫總主持人）

你所不知道的「早知道」（things you didn't know you knew）／李旺龍

　　「早知道用功一點，就不會不及格。」「早知道小心一點，就不會出這種事。」人們每天開口閉口說著許多「早知道」，通常是希望時間能夠倒流，只可惜時間之箭並不會回頭。不過，另外還有一個「早知道」，就是天天在我們身邊、習以為常卻常常受到我們忽視的「自然」。人是習慣的奴隸，習慣每天日月星辰、山水風雲、蟲鳴鳥叫，習慣周遭事物的存在及演化，而我們每天又有很多事要煩要忙，往往無暇注意周遭隨時給我們很多暗示的自然。其實自然時時刻刻展現她豐富的演化成果，直到我們突然間驚鴻一瞥、靈光一閃，才終於注意到這大太陽底下存在許久的新鮮事。

　　《學蜘蛛人趴趴走》這本書先是向我們介紹許多令人目瞪口呆的生物巨觀特質，如壁虎的黏著力、貽貝在水中的強大黏著力、蓮花的自我清潔能力、藍摩爾佛蝶的光學幻術、蜘蛛網堅韌的彈性、奈米等級的自組裝技術、昆蟲的飛行能力、花朵樹葉的摺疊展開機制及仿生建築等，接著進入微觀結構的觀察研究過程，向我們說明這些特異功能背後的機制，也說明這些機制發展成產品所面臨的重重挑戰，並期待引發更多人產生天馬行空的創意、找到更好的材料，使產品能夠有所突破、造福人類。這本書的每一章都有著很美的標題以及貼切的詩詞為伴，歌頌著「仿生學」這連接自然設計與人造技術的橋樑。

　　仿生學可以粗略定義為：從自然界合法「剽竊」許多設計及想法，應用來改善人類技術。但其實自然並不完美，自然界的演化速度很緩慢，偶爾有一些小錯誤發生，偶爾發生了突變，就是這麼悠閒地隨著時間長河慢慢前進，演化到現在這步田地。不過，若將這一大段演化時間視為一年，那麼自有人類出現到現在，大概只過了不到一分鐘，因此人類的技術發展確實需要好好學習大自然的演化成果；而理論上，自然的演化設計若經過人類技術的改進，必將產生不少趣味，只是這種「改進」尚屬理論，因為有著太多的未知。

　　事實上，仿生學並不是指人類技術全然抄襲大自然的設計，因為生物體內的環境不見得適合人造技術的應用，不過若能對生物體的功能與作用機制進行深入的基礎研究，必定有助於找出人類某種技術的解決之道，因此生物學家在這個過程中不可或缺。生物依據天擇過程而發展至今，全身上下許多部位都發展出最佳的狀態；這裡所謂的「最佳」，其實也可以說是「夠好」而已，也就是說，大自然一直在解決各種不同的問題，讓生物不需依賴很多資源，即可達到夠大的競爭力而存活下來，因此生物運用各種資源都能非常知足且不浪費，其中諸多奧秘非常值得人類技術好好學習。

　　我們可以舉一個例子，來看看自然設計跟人造技術存在著多大差異。就以能承受負載的樹木跟鋼鐵來做比較，樹木（自然的設計）是濕的，具有撓性，而鋼鐵（人造技術）是乾的、堅硬的；人造材料多是高溫製作並具有均質性（指材料的特性在任何位置都相同 ）及等向性（材料的特性在任何方向都相同），而樹木則是在常溫下成長，並具有橫向的層狀構造及縱向的纖維組織（即異向性），且具有依成長過程（例如受到風吹雨打等外力作用）記錄下來的非均質特性（以年輪呈現）；人造技術都是有稜有角的，以直角居多，樹枝的分叉則有某些程度的曲率，以降低應力太過集中可能造成的傷害；人造材料需有技術介入才能生產出產品，而自然設計則多半本身就具有生產製造的能力，所以「人為煉鋼」跟「樹木自動成長」是非常鮮明的對比；人造技術大多具有單一功能的限制，自然設計則常有多功能的目標，如鋼鐵多半只作為結構用，而樹木除了支撐本體所受的外力，還可負擔水分、養分的傳輸等成長功能；人造設計出了問題（如鋼鐵鏽蝕），就需要修理及替換，而自然設計往往具有自我治療復原的功能，例如天然橡膠必須劃破橡膠樹皮取膠，但樹皮會自行癒合。

　　二○○四年七月，我前往英國威爾斯的史溫西大學（Swansea University）擔任訪問學者，期間曾拜訪本書第五章提到的英國第一位仿生學教授，朱利安•文森（Julian Vincent）。朱利安是個生物學家，在巴斯大學機械系擔任教授，他對於研究充滿著熱誠，我與他約見面的時間不巧是巴斯的假日，但他還是開車前來火車站，接我到他的仿生及自然技術研究中心，不但為我做詳盡的介紹，還在停車場地上就蛞蝓爬行留下的痕跡，與我討論腹足的運動以及潤滑劑的分泌等問題。他對我說，他不懂力學也不懂數學，但是他有能力向自然「剽竊」其設計理念，開發新創意，用於機械設計方面。

　　二○○五年七月，我邀請朱利安來台短期訪問，在高雄應用科技大學的「創意／奈米／仿生」研討會上發表演講，吸引了來自各個領域的研究學者擠滿機械系的演講廳。後來朱利安應邀參觀國立科學工藝博物館，之後他花了五分鐘向我描述人為何會口渴，並解釋啤酒中的化學物質可以解決口渴的感覺，意思是提醒我，他需要啤酒解渴！隨後，我又於二○○六年六月前往巴斯大學機械系擔任仿生學訪問教授，在朱利安的研究中心跟他和年輕的博士生在一起三個多月，每天在校園內湖邊的午餐及下午茶討論是最快活的時間，也讓我深深了解到，「仿生」不是一味的模仿，而是要對自然有深入的理解，並發揮天馬行空的創意，才能實現「產品化」的目標。舉該中心例子來說，沙漠中的蟑螂是開發低耗能除濕機的學習對象；松果對濕度的敏感度，促成該中心在日本愛知博覽會提出可感應流汗程度而適度通風的「聰明衣」概念；啄木鳥用力啄木頭不會腦震盪，造就了電動鐵鎚的設計。回台前，朱利安為我準備的歡迎派對，並邀請我在他家住了兩個晚上、深入交談，都是我快樂的回憶。

　　仿生學是跨領域的科學，當你跟不同領域的專家在一起，彼此傾聽對方的研究，交換著彼此對另一領域不成熟的想法，往往是擦出火花的時刻。我也將自二○○七年八月一日起，從現在的學校轉任到成功大學奈米科技暨微系統工程研究所，奈米科技同樣深具跨領域的特性，而「仿生」與「奈米」的結合，更是很「自然」且本來就存在大太陽底下許久的新鮮事。

　　我讀完此書原文，愛不釋手，認定此書對於許多研究學者必定是很好的仿生學入門書，也是通識課程中「跨領域」的最佳範例。在成功大學微奈米中心經費支援下，幾位好友曾著手進行翻譯，而從科學普及的角度來看，也很高興看到此書在市面上流通，因此樂於推薦此書。讀者若對於相關領域有興趣，亦可參考國科會的科普入口網站「科技大觀園」，收錄著我與學生的「奈米仿生科普教材」提供延伸閱讀。（本文作者為國立高雄應用科技大學機械系教授）

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